CN109373761A - 一种多场耦合材料处理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种多场耦合材料处理系统，包括主机框架，主机框架上设有侧开门结构的炉体，炉体上方设有伺服液压油缸，伺服液压油缸的油管通过大流量高频响伺服阀连接到伺服油源，伺服液压油缸驱动设在炉体顶部的上压头施加向下的恒定力或波动力，上压头底端通过绝缘陶瓷连接有上电极；炉体底部设有与上压头对应的下压头；下压头顶端通过绝缘陶瓷连接有下电极，上电极和下电极分别连接到炉体外的可编程控制高压电源；所述炉体内的还设有为材料加热的发热体，发热体设置在由炉体外的电气柜控制。本发明通过设置热、力、电多场耦合，为材料处理提供了新的多场耦合作用方式；且结构简单、使用方便、快捷，有效降低了能耗。
Description
技术领域
本发明涉及材料处理装置技术领域，具体为一种多场耦合作用下的材料处理装置。
背景技术
工程材料以其独特的力学、热学、电学、光学、声学、磁学等特性，在各个领域发挥着重要作用。材料性能与其微观结构密切相关，而微观结构往往是通过不同的材料处理工艺来调控。目前重点关注的材料微观结构特征主要包括晶体结构、缺陷、表面和界面等。材料微观结构的改变往往和物质扩散过程密切相关，温度梯度、压力梯度和电场梯度就是物质扩散常见的驱动力。通过力和热对材料进行处理已经有很长的发展历史，例如压制成型、压力加工、退火、压力烧结、放电等离子烧结等技术，但是通过电场直接对材料微观结构进行处理的技术还很少见，仅有电加热技术较为成熟。热压加工、热压烧结和放电等离子烧结技术将热和力的作用耦合起来对材料进行处理，大幅提升了材料处理效率，同时极大地提高了材料性能，推动了材料工业的飞速发展。
但对材料致密度，材料力学性能的追求一直是工程材料行业的需求。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种能够提供高压电场、高频交变压力和辐射加热耦合作用的多场耦合作用下的材料处理装置，且结构简单、方便、快捷。技术方案如下：
一种多场耦合材料处理系统，包括主机框架，主机框架上设有前开门结构的炉体，炉体上方设有静压支撑油缸，静压支撑油缸的油管通过大流量高频响伺服阀连接到伺服油源，静压支撑油缸驱动设在炉体顶部的上压头施加向下的高频交变压力，上压头底端通过绝缘陶瓷连接有上电极；炉体底部设有与上压头对应的下压头；下压头顶端通过绝缘陶瓷连接有下电极，上电极和下电极分别连接到炉体外的可编程控制高压电源，用于为材料提供高压电场；所述炉体内的还设有为材料辐射加热的发热体，发热体设置在由炉体外的电气柜控制。
进一步的，还包括与炉体连接为炉体内提供真空环境的真空泵组。
更进一步的，还包括与炉体连接的向炉体内提供保护气氛的高压气源，以及用于电场控制、温度控制、压力控制和气氛控制的控制系统。
更进一步的，还包括给炉体和伺服油源提供冷却保护的水冷系统，以及用于电场控制、温度控制和压力控制的控制系统。
更进一步的，所述炉体的顶部和底部均设有两个分离的高压接线柱，上电极通过顶部的高压接线柱连接到可编程控制高压电源，下电极通过底部的高压接线柱连接到可编程控制高压电源。
更进一步的，所述电气柜包括大功率三相交流变压器、功率控制器和温控器，以及热电偶或红外测温装置；外接三相交流电源进入电气柜先与功率控制器连接，再由大功率三相交流变压器转换为低压直流电源，并传输给炉体内的发热体；热电偶或红外测温装置设置在发热体附近，将测得的温度信号传给温控器，温控器根据工艺参数向功率控制器发送信号调整加热功率，形成闭环控制。
更进一步的，所述静压支撑油缸顶部安装有位移传感器，底部安装有载荷传感器。
更进一步的，所述下压头通过设置在炉体下方的另一台静压支撑油缸驱动，以施加向上的高频交变压力。
更进一步的，所述发热体为由铁铬铝、镍铬、钨、钨铼、铂铱或钼制成的电热丝，或由硅钼、硅碳、铬酸镧、氧化锆、硼化锆或石墨制成的加热棒。
本发明的有益效果是：本发明通过设置热、力、电多场耦合，为材料处理提供了新的多场耦合作用方式；高压电场可以通过激发场致缺陷、电化学极化、隧穿效应等大幅提高材料的扩散速率，甚至改变材料的扩散机制，实现材料的烧结、变形、改性、功能调控等目的，设置高频交变压力，可以优化材料显微结构，可以帮助排出材料内部的气孔，提高致密度，抑制晶粒异常长大和过快生长，可以帮助排出材料内部的气孔，从而提升材料的致密度，提升材料力学性能；且结构简单、使用方便、快捷，有效降低了能耗，不仅能用于材料实验研究，也可用于材料的连续化生产。
附图说明
图1为本发明多场耦合作用下的材料处理装置实施例1的结构示意图。
图2为本发明多场耦合作用下的材料处理装置实施例2的结构示意图
图3为本发明多场耦合作用下的材料处理装置实施例3的结构示意图
图4为本发明多场耦合作用下的材料处理装置实施例4的结构示意图
图中：1-主机框架；2-可编程控制高压电源；3-炉体；4-高压接线柱；5-上压头；6-上电极；7-下压头；8-下电极；9-电气柜；10-发热体；11-伺服油源；12-大流量高频响伺服阀；13-静压支撑油缸；14-位移传感器；15-载荷传感器；16-真空泵组；17-高压气源；18-水冷系统；19-控制系统。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。本发明的多场耦合材料处理系统可以为材料处理同时提供高压电场、高频交变压力和辐射加热的耦合作用。热、力、电耦合作用可以在不同气氛下进行，也可以分别独立运行；热、力、电耦合作用可以显著提高材料处理效率及被处理材料的各种性能。尤其是，引入高压电场直接对材料进行处理，可提高材料的扩散驱动力，是一种全新的材料处理手段。
多场耦合材料处理系统的结构如下：主机框架1上设有前开门结构的炉体3，炉体3上方设有静压支撑油缸13，静压支撑油缸13的油管通过大流量高频响伺服阀12连接到伺服油源11，静压支撑油缸13驱动设在炉体3顶部的上压头5施加向下的高频交变压力，上压头5底端通过绝缘陶瓷连接有上电极6；炉体3底部设有与上压头5对应的下压头7；下压头7顶端通过绝缘陶瓷连接有下电极8，上电极6和下电极8分别连接到炉体3外的可编程控制高压电源2，用于为材料提供高压电场；所述炉体3内的还设有为材料辐射加热的发热体10，发热体10设置在由炉体3外的电气柜9控制。
高压电场为施加在材料上>100 V/cm的高压直流或交流电场，高压电场可以通过激发场致缺陷、电化学极化、隧穿效应等大幅提高材料的扩散速率，甚至改变材料的扩散机制。
高频交变压力输出的载荷为0-500MPa范围内可调，频率为0-100Hz范围内可调，高频交变压力可以帮助排出材料内部的气孔，抑制晶粒的异常长大和过快生长，大幅提升晶粒尺寸的均匀性，显著改善材料的显微结构，从而提升材料的致密度，提高材料的力学性能。
其中，所述电气柜9包括大功率三相交流变压器、功率控制器和温控器，以及热电偶或红外测温装置；外接三相交流电源进入电气柜先与功率控制器连接，再由大功率三相交流变压器转换为低压直流电源，并传输给炉体内的发热体10；热电偶或红外测温装置设置在发热体10附近，将测得的温度信号传给温控器，温控器根据工艺参数向功率控制器发送信号调整加热功率。
实施例1：
本实施例所述一种多场耦合材料处理系统由主机框架、电场系统、高温系统、压力系统、真空系统、气氛系统、水冷系统和控制系统等部分组成。如图1所示，主机框架1为压力系统和高温系统提供安装平台，同时它还具有很高的刚度，可以保证在压力加载时不发生明显的弹性变形，而且不产生系统共振。电场系统由一台可编程控制高压电源2提供输出，通过连接导线与前开门结构炉体3上设置的两个分离的高压接线柱4相连。在炉体3内部，接线柱通过导线与上压头5底部的上电极6和下压头7顶部下电极8连接，压头与电极之间通过绝缘陶瓷连接。上电极6通过顶部的高压接线柱4连接到可编程控制高压电源2，下电极8通过底部的高压接线柱4连接到可编程控制高压电源2。高温系统由炉体3，大功率三相交流变压器、功率控制器、热电偶和温控器组成的电气柜9，以及发热体10组成。在本实例中，发热体为石墨。压力系统由伺服油源11，大流量高频响伺服阀12和静压支撑油缸13组成，在油缸顶部安装有高精度位移传感器14，在油缸底部安装有高精度载荷传感器15，再与炉体的上压头5相连。下压头7与主机框架的底座相连。真空系统由真空泵组16、炉体3和阀件等组成。气氛系统由高压气源17、炉体3和阀件等组成。水冷系统18给炉体3和伺服油源11提供冷却保护。控制系统19以NI控制平台为核心，集成了电场控制、温度控制、压力控制和气氛控制功能。
工作时首先打开炉门，将置于模具中的粉体样品放置在上下压头之间，也可直接将块体样品放置在上下压头之间，再通过压力系统控制油缸运动使上下压头和样品紧密接触，然后关闭炉门并开启真空系统，待炉体内真空度达到要求即可以开始多场耦合试验。也可以在真空度达到要求后，开启气氛系统往炉体内注入保护气后再开始试验。试验过程中，可以同时给样品加载耦合的热、力、电对材料进行处理，可以大幅提升材料处理效率，同时极大地提高材料性能。例如，在热、力、电的耦合作用下，通过不同的耦合条件，可以实现粉体材料的快速烧结、粉体的破碎和细化、粉体的晶内缺陷调控；还可以实现块体材料的进一步致密化、显微结构优化、塑性变形、晶内缺陷调控等。
实施例2：
本实施例所述一种多场耦合材料处理系统由主机框架、电场系统、高温系统、压力系统、真空系统、气氛系统、水冷系统和控制系统等部分组成。如图2所示，主机框架1为压力系统和高温系统提供安装平台，同时它还具有很高的刚度，可以保证在压力加载时不发生明显的弹性变形，而且不产生系统共振。电场系统由一台可编程控制高压电源2提供输出，通过连接导线与前开门结构炉体3上设置的两个分离的高压接线柱4相连。在炉体3内部，接线柱通过导线与上压头5底部的上电极6和下压头7顶部下电极8连接，压头与电极之间通过绝缘陶瓷连接。上电极6通过顶部的高压接线柱4连接到可编程控制高压电源2，下电极8通过底部的高压接线柱4连接到可编程控制高压电源2。高温系统由炉体3，大功率三相交流变压器、功率控制器、红外测温装置和温控器组成的电气柜9和发热体10组成。在本实例中，发热体为石墨。压力系统由伺服油源11，大流量高频响伺服阀12和静压支撑油缸13组成，在油缸顶部安装有高精度位移传感器14，在油缸底部安装有高精度载荷传感器15，再与炉体的上压头5和下压头7相连。真空系统由真空泵组16、炉体3和阀件等组成。气氛系统由高压气源17、炉体3和阀件等组成。水冷系统18给炉体3和伺服油源11提供冷却保护。控制系统19以NI控制平台为核心，集成了电场控制、温度控制、压力控制和气氛控制功能。
工作时首先打开炉门，将置于模具中的粉体样品放置在上下压头之间，也可直接将块体样品放置在上下压头之间，再通过压力系统控制油缸运动使上下压头和样品紧密接触，然后关闭炉门并开启真空系统，待炉体内真空度达到要求即可以开始多场耦合试验。也可以在真空度达到要求后，开启气氛系统往炉体内注入保护气后再开始试验。试验过程中，可以同时给样品加载耦合的热、力、电对材料进行处理，可以大幅提升材料处理效率，同时极大地提高材料性能。例如，在热、力、电的耦合作用下，通过不同的耦合条件，可以实现粉体材料的快速烧结、粉体的破碎和细化、粉体的晶内缺陷调控；还可以实现块体材料的进一步致密化、显微结构优化、塑性变形、晶内缺陷调控等。
实施例3：
本实施例所述一种多场耦合材料处理系统由主机框架、电场系统、高温系统、压力系统、气氛系统、水冷系统和控制系统等部分组成。如图1所示，主机框架1为压力系统和高温系统提供安装平台，同时它还具有很高的刚度，可以保证在压力加载时不发生明显的弹性变形，而且不产生系统共振。电场系统由一台可编程控制高压电源2提供输出，通过连接导线与前开门结构炉体3上设置的两个分离的高压接线柱4相连。在炉体3内部，接线柱通过导线与上压头5底部的上电极6和下压头7顶部下电极8连接，压头与电极之间通过绝缘陶瓷连接。上电极6通过顶部的高压接线柱4连接到可编程控制高压电源2，下电极8通过底部的高压接线柱4连接到可编程控制高压电源2。高温系统由炉体3，大功率三相交流变压器、功率控制器、热电偶和温控器组成的电气柜9和发热体10组成。在本实例中，发热体为钼丝。压力系统由伺服油源11，大流量高频响伺服阀12和静压支撑油缸13组成，在油缸顶部安装有高精度位移传感器14，在油缸底部安装有高精度载荷传感器15，再与炉体的上压头5和下压头7相连。气氛系统由高压气源17、炉体3和阀件等组成，炉体3能够承受较高气压，通入高压气体后可以给样品提供静水压力。水冷系统18给炉体3和伺服油源11提供冷却保护。控制系统以NI控制平台为核心，集成了电场控制、温度控制、压力控制和气氛控制功能。
工作时首先打开炉门，将置于模具中的粉体样品放置在上下压头之间，也可直接将块体样品放置在上下压头之间，再通过压力系统控制油缸运动使上下压头和样品紧密接触，然后关闭炉门并开启气氛系统，在真空度达到要求后，往炉体内注入高压气体施加静水压力再开始试验。试验过程中，同时给样品加载耦合的热、力、电对材料进行处理，可以大幅提升材料处理效率，同时极大地提高材料性能。例如，在热、力、电的耦合作用下，通过不同的耦合条件，可以实现粉体材料的快速烧结、粉体的破碎和细化、粉体的晶内缺陷调控；还可以实现块体材料的进一步致密化、显微结构优化、塑性变形、晶内缺陷调控等。
实施例4：
本实施例所述一种多场耦合材料处理系统由主机框架、电场系统、高温系统、压力系统、水冷系统和控制系统等部分组成。如图1所示，主机框架1为压力系统和高温系统提供安装平台，同时它还具有很高的刚度，可以保证在压力加载时不发生明显的弹性变形，而且不产生系统共振。电场系统由一台可编程控制高压电源2提供输出，通过连接导线与上压头5底部的上电极6和下压头7顶部下电极8连接，压头与电极之间通过绝缘陶瓷连接。高温系统由大功率三相交流变压器、功率控制器、热电偶和温控器组成的电气柜9和发热体10组成。在本实例中，发热体为镍铬合金丝。压力系统由伺服油源11，大流量高频响伺服阀12和静压支撑油缸13组成，在油缸顶部安装有高精度位移传感器14，在油缸底部安装有高精度载荷传感器15，再与炉体的上压头5相连。下压头7与主机框架的底座相连。水冷系统18给伺服油源9提供冷却保护。控制系统15以NI控制平台为核心，集成了电场控制、温度控制和压力控制功能。
工作时将置于模具中的粉体样品放置在上下压头之间，也可直接将块体样品放置在上下压头之间，再通过压力系统控制油缸运动使上下压头和样品紧密接触，然后开始多场耦合试验。试验过程中，可以同时给样品加载耦合的热、力、电对材料进行处理，可以大幅提升材料处理效率，同时极大地提高材料性能。例如，在热、力、电的耦合作用下，通过不同的耦合条件，可以实现粉体材料的快速烧结、粉体的破碎和细化、粉体的晶内缺陷调控；还可以实现块体材料的进一步致密化、显微结构优化、塑性变形、晶内缺陷调控等。
Claims (9)
1.一种多场耦合材料处理系统，其特征在于，包括主机框架（1），主机框架（1）上设有炉体（3），炉体（3）上方设有静压支撑油缸（13），静压支撑油缸（13）的油管通过大流量高频响伺服阀（12）连接到伺服油源（11），静压支撑油缸（13）驱动设在炉体（3）顶部的上压头（5）施加向下的高频交变压力，上压头（5）底端通过绝缘陶瓷连接有上电极（6）；炉体（3）底部设有与上压头（5）对应的下压头（7）；下压头（7）顶端通过绝缘陶瓷连接有下电极（8），上电极（6）和下电极（8）分别连接到炉体（3）外的可编程控制高压电源（2），用于为材料提供高压电场；所述炉体（3）内的还设有为材料辐射加热的发热体（10），发热体（10）由设置在炉体（3）外的电气柜（9）控制。
2.根据权利要求1所述的多场耦合材料处理系统，其特征在于，还包括与炉体（3）连接为炉体（3）内提供真空环境的真空泵组（16）。
3.根据权利要求1或2所述的多场耦合材料处理系统，其特征在于，还包括与炉体（3）连接的向炉体（3）内提供保护气氛的高压气源（17），以及用于电场控制、温度控制、压力控制和气氛控制的控制系统（19）；所述炉体（3）为前开门结构。
4.根据权利要求1所述的多场耦合材料处理系统，其特征在于，还包括给炉体（3）和伺服油源（11）提供冷却保护的水冷系统（18），以及用于电场控制、温度控制和压力控制的控制系统（19）。
5.根据权利要求1所述的多场耦合材料处理系统，其特征在于，所述炉体（3）的顶部和底部均设有两个分离的高压接线柱（4），上电极（6）通过顶部的高压接线柱（4）连接到可编程控制高压电源（2），下电极（8）通过底部的高压接线柱（4）连接到可编程控制高压电源（2）。
6.根据权利要求1所述的多场耦合材料处理系统，其特征在于，所述电气柜（9）包括大功率三相交流变压器、功率控制器和温控器，以及热电偶或红外测温装置；外接三相交流电源进入电气柜（9）先与功率控制器连接，再由大功率三相交流变压器转换为低压直流电源，并传输给炉体（3）内的发热体（10）；热电偶或红外测温装置设置在发热体（10）附近，将测得的温度信号传给温控器，温控器根据工艺参数向功率控制器发送信号调整加热功率，形成闭环控制。
7.根据权利要求1所述的多场耦合材料处理系统，其特征在于，所述静压支撑油缸（13）顶部安装有位移传感器（14），底部安装有载荷传感器（15）。
8.根据权利要求1所述的多场耦合材料处理系统，其特征在于，所述下压头（7）通过设置在炉体（3）下方的另一台静压支撑油缸驱动，以施加向上的高频交变压力。
9.根据权利要求1所述的多场耦合材料处理系统，其特征在于，所述发热体（10）为由铁铬铝、镍铬、钨、钨铼、铂铱或钼制成的电热丝，或由硅钼、硅碳、铬酸镧、氧化锆、硼化锆或石墨制成的加热棒。
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